Phân tích kết nối an toàn và số chặng của mạng tùy biến đa chặng khi có những thiết bị nghe lén thông đồng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tính kết nối và số chặng kết nối là hai thuộc tính quan trọng của mạng tùy biến đa chặng. Bài viết đề xuất phương pháp phân tích dựa trên mô phỏng để có được các điểm về tính kết nối, phân bố số chặng và số chặng trung bình trong nhiều kịch bản đánh giá khác nhau.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Phân tích kết nối an toàn và số chặng của mạng tùy biến đa chặng khi có những thiết bị nghe lén thông đồng

15 PHÂN TÍCH KẾT NỐI AN TOÀN VÀ SỐ CHẶNG CỦA MẠNG TÙY BIẾN ĐA CHẶNG KHI CÓ NHỮNG THIẾT BỊ NGHE LÉN THÔNG ĐỒNG Lê Thế Dũng1*, Lê Ngọc Dùng2 1 Trường Đại học FPT Tp. Hồ Chí Minh 2 Trường Đại học Công nghệ Đồng Nai *Tác giả liên hệ: Lê Thế Dũng, dunglt96@fe.edu.vn THÔNG TIN CHUNG TÓM TẮT Ngày nhận bài: 11/08/2024 Tính kết nối và số chặng kết nối là hai thuộc tính quan trọng của mạng tùy biến đa chặng. Khi xem xét vấn đề bảo mật, việc thiết Ngày nhận bài sửa: 13/09/2024 lập đường truyền đa chặng an toàn là một thách thức vì một nút Ngày duyệt đăng: 30/09/2024 trung gian có liên kết với các nút ở phía trước có thể không an toàn để nhận dữ liệu từ các nút đó và ngược lại. Để phân tích đặc tính này, chúng tôi sử dụng đồ thị hình học ngẫu nhiên để TỪ KHOÁ mô hình hóa mạng tùy biến đa chặng có sự hiện diện của nhiều thiết bị nghe lén trong trường hợp bảo mật xấu nhất là khi thiết Kết nối an toàn; bị nghe lén thông đồng với nhau. Tiếp theo, chúng tôi đề xuất Mạng tùy biến đa chặng; phương pháp phân tích dựa trên mô phỏng để có được các điểm Số chặng; về tính kết nối, phân bố số chặng và số chặng trung bình trong nhiều kịch bản đánh giá khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy Thiết bị nghe lén thông đồng. rằng tính kết nối đạt giá trị bão hòa là 0,93 khi mật độ nút hợp pháp là 1,8810-3 nút/m2. Ngoài ra tham số hình dạng của kênh fading Nakagami chỉ làm tính kết nối giảm 5,62% so với 29,96% của mật độ nút nghe lén. Các kết quả trong bài báo này cung cấp những thông tin có giá trị trong việc thiết kế và đánh giá mạng tùy biến đa chặng có xét đến bảo mật. 1. GIỚI THIỆU mạng cảm biến không dây, dữ liệu được thu thập tại mỗi cảm biến được chuyển tiếp đến một Mạng không dây tùy biến (AHWN) là nút trung tâm của mỗi nhóm cảm biến (Rekha mạng không dây phi tập trung, bao gồm nhiều et al., 2020). Do tất cả các nút không dây đều nút di động không dây tạo thành mạng tạm thời thực hiện truyền thông rộng rãi nên mạng mà không sử dụng bất kỳ cơ sở hạn tầng cố định AHWN dễ bị nghe lén và tấn công mạo danh. hoặc quản trị tập trung (Sarkar et al., 2013). Tùy Thông thường các thuật toán mật mã đối xứng theo những ứng dụng cụ thể, mạng AHWN có được sử dụng để bảo vệ tính bảo mật và xác thể được phân loại thành mạng cảm biến không thực của thông tin liên lạc. Các thuật toán mã dây trong đó nhiều cảm biến chuyên dụng được hóa cấp bit này có một số nhược điểm, chẳng phân tán trên bề mặt để ghi lại các điều kiện vật hạn như bảo vệ chuẩn hóa trong các mạng lý của môi trường xung quanh (Agarkar et al., không dây công cộng có thể không đủ an toàn 2020). Trái ngược với mạng AHWN, trong
16 và ngay cả khi có các giao thức xác thực và mã 2. ĐỘNG LỰC VÀ ĐÓNG GÓP hóa nâng cao chúng vẫn yêu cầu các ràng buộc Như đã trình bày ở trên, mặc dù các tính mạnh và chi phí cao. Đặc biệt trong các mạng năng về khả năng kết nối hoặc số chặng của không dây động như mạng AHWN, nơi các nút đường truyền đa chặng trong mạng không dây di động có thể ngẫu nhiên tham gia và rời khỏi đã được tìm hiểu rộng rãi, nhưng có rất ít nghiên mạng bất cứ lúc nào, vấn đề phân phối chìa cứu tập trung vào việc phân tích đồng thời hai khóa cho các hệ thống mật mã đối xứng trở nên đặc tính cơ bản này. Cụ thể, trong bài báo khó khăn hơn. Hơn nữa, tất cả các kỹ thuật mã (Ibrahim et al., 2021) các tác giả nghiên cứu hóa dựa trên khóa đều dựa trên giả định rằng về hiệu suất của hai kỹ thuật định tuyến phù hợp mặt tính toán, chúng không khả thi để giải mã cho mạng mmWave, cụ thể là kỹ thuật số chặng nếu không có thông tin về chìa khóa bí mật. Tuy tối thiểu (MHC) và kỹ thuật chuyển tiếp LoS nhiên, do sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ gần nhất đến đích với MHC (NLR-MHC). Các máy tính, kẻ tấn công có thể thực hiện tìm kiếm mô hình phân tích được cung cấp để đánh giá khóa toàn diện (còn gọi là tấn công brute-force) hiệu suất của hai kỹ thuật định tuyến này bằng với hy vọng cuối cùng sẽ đoán đúng chìa khóa. các công cụ từ hình học ngẫu nhiên. Các tác giả Do đó, một cơ chế bảo mật thay thế, cụ thể là trong bài báo (Li et al., 2022) đưa ra một biểu bảo mật lý thuyết thông tin hoặc bảo mật lớp thức phân phối số chặng trong một mạng tùy vật lý (PLS), đã được giới thiệu. Phương pháp biến hữu hạn theo các giao thức định tuyến số bảo mật mới này tập trung vào khả năng bảo chặng tối thiểu. Bằng cách sử dụng phân phối mật của các kênh không dây. Việc áp dụng các nút theo quy trình điểm nhị thức, mạng được kỹ thuật bảo mật lớp vật lý cho mạng AHWN cung cấp trong bài báo là một vùng giới hạn với so với các kỹ thuật mật mã truyền thống có hai tất cả các nút được phân phối ngẫu nhiên và ưu điểm. Đầu tiên, các kỹ thuật bảo mật lớp vật đồng đều. Trong bài báo (Xiao et al., 2021), tác lý không dựa vào độ phức tạp của tính toán mà động của va chạm gói tin trong lớp điều khiển khai thác tính ngẫu nhiên vốn có của nhiễu và truy cập kênh truyền (MAC) đối với xác suất các kênh truyền thông để hạn chế lượng thông kết nối của mạng kết nối phương tiện giao tin mà nút nghe lén có thể trích xuất. Thứ hai, thông. Điểm chung của tất cả các công trình các phương pháp bảo mật lớp vật lý có thể thực được đề cập ở trên là đều bỏ qua vấn đề về kết hiện giao tiếp bí mật qua các kênh không dây nối an toàn. Để truyền thông phù hợp trong một mà không cần sử dụng khóa mã hóa; do đó, số trường hợp, kết nối giữa hai nút trong mạng chúng rất phù hợp với mạng AHWN vì không tùy biến không dây phải đáp ứng cả hai ràng cần thêm các gói tin điều khiển. buộc về suy giảm công suất tín hiệu nhận được Lịch sử của PLS bắt đầu từ phân tích lý và tính bảo mật của liên kết. Mặt khác, vì các thuyết thông tin bảo mật của Shannon đường truyền trong mạng tùy biến không dây (Shannon, 1949), sau đó được phát triển thành thường bao gồm nhiều chặng nên việc đảm bảo công trình của Wyner về kênh nghe lén (Wyner, sự an toàn cho đường truyền đa chặng là rất khó 1975), trong đó máy phát muốn truyền đạt các khăn (Chen et al., 2018). Chúng ta nên lưu ý thông điệp riêng tư qua kênh chính trong khi nút rằng điều kiện để có liên kết không dây giữa hai nghe lén cố gắng truy cập bất hợp pháp vào nút không phụ thuộc vào điều kiện để đảm bảo kênh liên lạc này. Gần đây, việc phân tích PLS liên kết này an toàn. Ví dụ, liên kết không dây của các mạng quy mô lớn đã thu hút được nhiều giữa hai nút tồn tại, nhưng liên kết đó có thể sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Không giống không an toàn để truyền thông và ngược lại. Do như với mạng điểm-đến-điểm, việc giao tiếp đó, việc thiết lập các đường truyền đa chặng an giữa các nút trong các mạng quy mô lớn phụ toàn trong các mạng động như trong mạng tùy thuộc rất nhiều vào vị trí và tương tác giữa các biến không dây cực kỳ phức tạp vì một nút nút. trung gian có thể được kết nối với một tập hợp
17 nhất định các nút trước đó và chỉ an toàn để truyền, tuy nhiên các tác giả không phân tích nhận dữ liệu từ một tập hợp khác các nút trước ảnh hưởng của các yếu tố này lên số chặng của đó. Trong bài báo (Zheng et al., 2022), mặc dù đường truyền. Trong phần sau, chúng tôi sẽ đưa các tác giả đã đề xuất một giải pháp đó là nút ra một ví dụ cụ thể, cho thấy hiệu ứng kết hợp hợp pháp gửi tín hiệu gây nhiễu với một xác của bảo mật và fading kênh ảnh hưởng đến số suất nhất định để đánh bại những nút nghe lén chặng và đặc điểm kết nối của đường truyền và phân tích xác suất mất kết nối và xác suất giữa hai nút hợp pháp được chọn ngẫu nhiên mất bảo mật để đánh giá độ tin cậy của đường làm nút nguồn và nút đích. Hình 1.Tác động của nút nghe lén lên số chặng và tính kết nối của đường truyền giữa nút nguồn (S) và nút đích (D) hợp pháp. Hình 1 minh họa sự xuất hiện của nút nghe tính này độc lập; do đó, một nút hợp pháp có lén (được biểu thị là dấu hoa thị màu đỏ) ảnh thể kết nối với một nút hợp pháp khác, nhưng hưởng lớn đến số chặng và kết nối của đường liên kết không dây giữa chúng có thể không an truyền đa chặng ngắn nhất giữa nút nguồn (S) toàn để gửi dữ liệu và ngược lại. Do đó, khả và nút đích (D) hợp pháp trong mạng AHWN. năng kết nối và số chặng của các đường truyền Cụ thể, trong Hình 1(a), khi không có nút nghe bảo mật đa chặng trong mạng AHWN cực kỳ lén trong mạng, đường truyền ngắn nhất từ S phức tạp vì đường truyền bảo mật đa chặng giữa đến D là S  I1  I5  I4  D, có số chặng S và D chỉ có thể thiết lập thành công nếu nút là 4. Tuy nhiên, vì nút nghe lén tồn tại gần I5 dùng trung gian hợp pháp đều có ít nhất một như trong Hình 1(b), đường truyền ngắn nhất từ liên kết không dây an toàn. S đến D sẽ là S  I1  I2  I3  I4  D, có Từ quan sát trên, chúng tôi quan tâm đến số chặng là 5. Lưu ý rằng tương tự như trường việc đưa ra một nghiên cứu sâu sắc về số chặng hợp trong Hình 1(a), I6 không có liên kết không và đặc điểm kết nối của đường truyền đa bước dây với những nút hợp lệ khác do hiện tượng của mạng AHWN có xét đến bảo mật. Để hoàn fading của kênh truyền. Hơn nữa,I6 không an thành nhiệm vụ này, chúng tôi đề xuất một toàn (được thể hiện bằng nền đỏ) để nhận dữ phương pháp phân tích dựa trên mô phỏng có liệu từ bất kỳ nút hợp pháp nào. Ngược lại, I5 thể cho ra phân phối số chặng, số chặng trung không an toàn để nhận dữ liệu từ I1 (tức là kết bình và khả năng kết nối của mạng AHWN đa nối I1 − I5 không thỏa mãn ràng buộc bảo mật), chặng dưới các ràng buộc bảo mật. Những đóng nhưng an toàn để nhận dữ liệu từ I3. Do đó, I5 góp chính của bài báo này có thể được tóm tắt được biểu diễn dưới dạng một nửa vòng tròn như sau: xanh nửa vòng tròn đỏ. Trong trường hợp tệ nhất, không có đường truyền thông tin an toàn Khác với các công trình trước đây chỉ xét nào từ S đến D vì I1 không an toàn để nhận dữ đến tính kết nối bảo mật (Zheng et al., 2022) liệu từ S như trong Hình 1(c) và I4 không an hoặc số chặng (Ibrahim et al., 2021), (Li et al., toàn để nhận dữ liệu từ I3 và I5 như trong Hình 2022) của các đường truyền đa chặng hoặc 1(d). Tóm lại, tùy thuộc vào điều kiện kênh, một nghiên cứu cả hai thông số này (Dung et al., liên kết không dây giữa hai nút hợp pháp được 2018) mà không tính đến vấn đề bảo mật, trong thiết lập hoặc an toàn để gửi dữ liệu. Các thuộc bài báo này chúng tôi phân tích số chặng và tính
18 kết nối của đường đường dẫn đa chặng giữa hai chúng tôi đề xuất một phương pháp để phân tích nút hợp pháp bất kỳ dưới sự hiện của nhiều nút kỹ lưỡng đặc tính của số chặng và khả năng kết nghe lén phân bố ngẫu nhiên trong mạng. nối của mạng AHWN này dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau như chế độ hoạt động Chúng tôi sử dụng đồ thị truyền thông bảo thông đồng của nút nghe lén, điều kiện kênh mật để mô hình hóa mạng AHWN có xét đến (mức độ nghiêm trọng của fading biên độ tín bảo mật với vị trí ngẫu nhiên của nút hợp pháp hiệu), giao thức định tuyến và mật độ nút hợp và nút nghe lén và fading kênh thay đổi. Sau đó, pháp và nút nghe lén. Bảng 1. Đặc điểm chính của công trình trong bài báo này và các công trình nghiên cứu đã được công bố của các tác giả khác. Đặc điểm Công trình Có phân Chế độ Có xem xét nghiên cứu Có phân tích tích số Mô hình hoạt động tính bảo tính kết nối? chặng trung kênh truyền của nút mật? bình? nghe lén (Zheng et al., Không Có Có Không Rayleigh 2022) thông đồng (Ibrahim et al., Không gian Không Có Có Không 2021), tự do thông đồng (Li et al., Không gian Không Không Có  2022) tự do (Dung et al., Không Có Có Nakagami  2018) Bài báo này Có Có Có Nakagami Thông đồng Hình 2. Vị trí ngẫu nhiên của nút hợp pháp và nút nghe lén theo phân phối Poisson với mật độ nút khác nhau. Chúng tôi cung cấp các đặc điểm riêng biệt quan hệ giữa chúng trong kịch bản đánh giá của số chặng và khả năng kết nối cũng như mối khác nhau để tìm ra một số thông tin mới và có
19 giá trị cho việc thiết kế và đánh giá mạng tùy q biến đa chặng có xét đến bảo mật. P  Q q   e , (2) q! Để làm rõ sự khác biệt giữa công trình Trong đó  = E(Q) =  với  = l = Nl /a2 nghiên cứu của chúng tôi trong bài báo này và và  = e = Ne /a2 tương ứng với mật độ nút của các công trình nghiên cứu đã được công bố của nút hợp pháp và nút nghe lén. các tác giả khác, chúng tôi cung cấp tóm tắt các đặc điểm chính của các công trình nghiên cứu Hình 2 minh họa vị trí ngẫu nhiên của nút này trong Bảng 1. hợp pháp và nút nghe lén trong một khu vực hình vuông có kích thước 400 m 400 m theo Phần còn lại của bài báo này được tổ chức phân phối Poisson với mật độ nút lần lượt là l như sau. Mục 3 mô tả mô hình hệ thống, bao = 100/4002 = 6,25104 nút/m2 và e = 6/4002 gồm phân phối nút, kênh không dây và kết nối = 3,75105 nút/m2. an toàn được sử dụng trong bài báo này. Mục 4 trình bày phương pháp phân tích dựa trên mô 3.2. Kênh truyền không dây phỏng được đề xuất để phân tích số lượng hop Kết nối không dây giữa hai nút trong mạng và đặc điểm kết nối của đường truyền đa chặng AHWN được xem xét trong bài báo này được giữa hai nút hợp lệ ngẫu nhiên trong mạng đặc tả bằng suy hao đường truyền quy mô lớn AHWN khi có sự hiện diện của những nút nghe và fading Nakagami-m quy mô nhỏ. Đối với lén thông đồng. Mục 5 trình bày các kết quả và fading Nakagami-m, hàm mật độ xác suất (pdf) thảo luận về số chặng trung bình và kết nối của của biên độ tín hiệu U tại nút thu là mạng AWHN thu được từ nhiều kịch bản mô m phỏng khác nhau. Cuối cùng, một  số nhận xét 2  m  2 m1  mu 2  fU  u    u exp    , (3) kết luận được đưa ra trong Mục 6.   m       3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG Trong đó () là hàm Gamma và  = E(u2) 3.1. Phân bố nút là công suất trung bình của tín hiệu nhận được, phản ánh mức độ giãn của fading Nakagami-m. Tất cả các nút không dây bao gồm nút hợp pháp và nút nghe lén trong mạng AHWN được Lưu ý rằng thông số tham số hình dạng m xem xét trong bài báo này được giả định được của fading Nakagami-m biểu thị mức độ phân bố ngẫu nhiên trong một khu vực hình nghiêm trọng của fading biên độ tín hiệu nhận vuông A = a  a theo phân phối đồng đều với được. Đặc biệt khi m = 1, fading Nakagami trở mật độ nút   N/A, trong đó N là số lượng nút thành fading Rayleigh, tức là, (N = Nl đối với nút hợp pháp và N = Ne đối với  u2  2u nút nghe lén). Từ đó xác suất một nút nằm trong  fU  u  exp    , (4)    một diện tích nhỏ  là p = /A. Sau đó, số lượng nút q nằm trong  tuân theo phân phối nhị thức Với m < 1 biểu thị mức độ fading nghiêm với hàm khối xác suất (pmf) được đưa ra bởi trọng hơn fading Rayleigh và ngược lại. N Như vậy dưới tác động chung của suy hao P  Q q   p q 1  p  N q . (1) q ! N  q  đường truyền quy mô lớn và fading Nakagami quy mô nhỏ, công suất nhận được Pr (Pr = Prl Theo biểu thức (1), khi A   và các thông tại máy thu hợp lệ và Pr = Pre tại máy nghe lén) số khác không đổi, phân phối nhị thức có thể đối với công suất truyền Pt cụ thể được cho bởi được xấp xỉ thành phân phối Poisson, tức là,
20 1 an toàn nếu sự khác biệt giữa dung lượng Pr  u 2 Pt , (5) d Shannon của kênh máy phát hợp pháp-máy thu hợp pháp (hay còn gọi là kênh hợp pháp) và Trong đó d là khoảng cách giữa hai nút,  dung lượng Shannon của kênh nghe lén là là hệ số suy hao đường truyền. dương (Pinto et al., 2008), tức là, Từ biểu thức (5), sự suy giảm công suất tín hiệu có thể được tính như sau  P   P  log 2 1  rl   log 2 1  re   0 , (9)  l   e  2 2  Pt d   d   , (6) Trong đó  l và  e là độ lệch công suất 2 2 Pr u 2 nhiễu của kênh hợp pháp và kênh nghe lén. Và được thể hiện theo đơn vị dB là Sau khi thực hiện một số biến đổi đại số, P công thức (9) trở thành   d dB  10 log  t   Pr  Prl , (10)  10 log10  d   20 log10  u  . (7) Pre Theo định nghĩa, liên kết không dây giữa Trong đó  =l2/e2 là tỷ lệ bảo mật. Nói nút tồn tại nếu độ suy giảm công suất tín hiệu cách khác, liên kết không dây giữa hai nút hợp nhận được tại máy thu nhỏ hơn hoặc bằng pháp là an toàn nếu tỷ lệ công suất nhận được ngưỡng nhất định th, đó là   th. tại máy thu hợp pháp Prl so với công suất nhận 3.3. Kết nối an toàn được tại máy nghe lén Pre lớn hơn tỷ lệ bảo mật . Khác với những công trình trước đây về Đường truyền đa chặng an toàn kết nối hai mạng AHWN đa chặng với phân tích kết nối nút hợp pháp được tạo thành một số liên kết giữa các nút không có ràng buộc bảo mật, bài không dây an toàn. Việc thiết lập đường truyền báo này xem xét mạng AHWN đa chặng, trong đa chặng an toàn này dựa trên giao thức định đó các giao tiếp giữa những nút hợp pháp được tuyến luôn tiến về phía trước (GF) với hai quy thực hiện dưới sự hiện diện của nhiều nút nghe tắc sau: (i) mọi nút hợp pháp đều chọn các nút lén thông đồng. Đây là trường hợp bảo mật xấu hàng xóm an toàn gần đích hơn chính nó làm nhất khi tất cả những nút nghe lén trao đổi tin các nút chuyển tiếp; (ii) nếu một nút hợp pháp nhắn và cùng nhau xử lý các tin nhắn đã nhận không thể tìm thấy một nút hàng xóm an toàn ở của chúng tại một đơn vị xử lý trung tâm. Khi chặng tiếp theo gần đích hơn chính nó, thì đó công suất tín hiệu nhận được kết hợp tại mỗi đường truyền từ nút đó đến đích không tồn tại. nút nghe lén sau khi xử lý tập trung là Tiêu chí được sử dụng để xác định xem một nút 1 có an toàn hay không để tham gia chuyển tiếp Pre  u eGe 2 e de P  t, (8) dữ liệu được xác định bởi biểu thức (10). Trong đó Ge là tập hợp tất cả những nút 4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DỰA nghe lén được phân bố trong mạng. TRÊN MÔ PHỎNG ĐƯỢC ĐỀ XUẤT Bảo mật lớp vật lý được sử dụng như một Trong phần này, chúng tôi đề xuất một tiêu chí để đánh giá kết nối giữa hai nút có an phương pháp phân tích dựa trên mô phỏng có toàn hay không. Cụ thể, theo định nghĩa của bảo thể sử dụng các đặc điểm của mật độ nút, kênh mật lớp vật lý, kết nối giữa một máy phát hợp không dây, giao thức định tuyến, chế độ hoạt động của nút nghe lén và yêu cầu bảo mật được pháp và một máy thu hợp pháp được đảm bảo mô tả trong Mục 3 làm tham số đầu vào.
21 số đầu vào. Do đó, nó hữu ích cho mạng AHWN khi mạng được kết nối có thể không phải lúc nào cũng khả dụng do tính di động của nút và chất lượng liên kết không dây thay đổi nhanh chóng. Hình 4 trình bày mã giả của thuật toán này. Quy trình hoạt động của nó sẽ được tóm tắt trong các giải thích từng bước sau đây.  Bước 1: Dựa trên thông tin đồ thị nút hợp pháp G(l), vị trí của những nút nghe lén trong đồ thị nút nghe lén G(e), điều kiện kênh không dây (, m, ), ngưỡng suy giảm tín hiệu th và tỷ lệ bảo mật , thuật toán này bắt đầu kiểm tra kết nối trực tiếp giữa nút nguồn và nút đích có khả dụng và an toàn hay không (tham khảo Dòng 2–5). Cụ thể, nếu độ suy giảm tín hiệu tại nút đích nhỏ hơn hoặc bằng ngưỡng, tức Hình 3. Cấu trúc của phương pháp phân tích là (src, dest) th, nút đích có thể giao tiếp trực dựa trên mô phỏng được đề xuất. tiếp với nguồn. Tiếp theo, tính bảo mật của giao Cấu trúc của phương pháp phân tích dựa tiếp trực tiếp này được kiểm tra bằng cách sử trên mô phỏng được đề xuất được trình bày dụng tiêu chí trong biểu thức (10) với công suất trong Hình 3. Nó bao gồm hai phần chính: phần nhận được tại mỗi thiết bị nghe lén được đưa ra đầu tiên là một thuật toán có thể cho ra trạng bởi biểu thức (8). Thuật toán trả ra hop count = thái kết nối và số chặng tương ứng của đường 1 nếu điều kiện thiết lập liên kết và điều kiện truyền an toàn ngắn nhất giữa hai nút hợp pháp bảo mật liên kết đều được thỏa mãn (tham khảo ngẫu nhiên, trong khi phần thứ hai là một thuật Dòng 8). Nếu không, nó sẽ trả về hop count = toán khác sử dụng kết quả đầu ra của thuật toán  và dừng thực thi (tham khảo Dòng 6). đầu tiên để trả về kết nối đường truyền tổng thể  Bước 2: Nếu liên kết bảo mật trực tiếp và số chặng trung bình. Mô tả chi tiết về hai giữa nguồn và đích không tồn tại, thuật toán sẽ phần này sẽ được cung cấp trong các tiểu mục tìm kiếm tất cả các đường truyền đa chặng có sau đây. thể giữa chúng. Khi bắt đầu quá trình này, tất cả 4.1. Các hoạt động của thuật toán thứ nhất các nút con bảo mật của nút nguồn (tức là nút nguồn sử dụng giao thức định tuyến GF để xác Mục tiêu chính của thuật toán này là tìm tất định các nút lân cận có liên lạc không dây bảo cả các đường truyền đa chặng khả dụng giữa hai mật với nó) được tìm. Nếu nút nguồn không có nút hợp pháp ngẫu nhiên và cung cấp số chặng bất kỳ nút con nào, thì rõ ràng là không thể thiết của đường truyền ngắn nhất. Thuật toán này sử lập được đường truyền từ nút nguồn đến nút dụng vị trí của những nút hợp pháp trong đồ thị đích; do đó hop count =  (tham khảo Dòng 10– nút hợp pháp G(l), vị trí của những nút nghe 12). Nếu không, các nút con bảo mật của nguồn lén trong đồ thị nút nghe lén G(e), điều kiện được thêm vào danh sách gonna_chk_nodes để kênh không dây (, m, ), ngưỡng suy giảm tín chúng sẽ được kiểm tra dần sau đó. Đồng thời, hiệu thvà tỷ lệ bảo mật . thông tin (ID nút, hop count = 1) của các nút So với thuật toán tìm đường ngắn nhất của con bảo mật này của nguồn được ghi lại trong Dijkstra (Johnsonbaugh, 2009), thuật toán được bảng hopcount_cache. đề xuất không cần đồ thị được kết nối làm thông
22 Hình 4. Mã giả của thuật toán thứ nhất để lấy số chặng và tính kết nối của đường dẫn đa chặng giữa hai nút hợp lệ ngẫu nhiên.  Bước 3: Đối với mỗi nút con an toàn đó sẽ bị xóa khỏi danh sách gonna_chk_nodes. của các nút được lưu trữ trong Tất cả các quy trình từ Dòng 17–28 được lặp lại gonna_chk_nodes, nếu số chặng đến nó chưa miễn là danh sách gonna_chk_nodes không được biết, số chặng mới này sẽ được tăng thêm trống. Nếu có thể đến nút đích trong thời gian một, tức là hc_chk_node = hc_chk_node + 1, này, thuật toán sẽ dừng thực thi và trả về số trong hopcount_cache và ID nút của nó được chặng của đường truyền ngắn nhất giữa nút thêm vào gonna_chk_nodes (tham khảo Dòng nguồn và nút đích (tham khảo Dòng 29–30). 22–23). Trong trường hợp số chặng đến nút con Nếu không, thuật toán sẽ trả về số chặng = . an toàn này đã tồn tại trong hopcount_cache, Lưu ý rằng thuật toán này mang tính phổ nhưng số chặng mới nhất nhỏ hơn số chặng quát và có thể được sử dụng để có được số trước đó, số chặng đến nút con an toàn này sẽ chặng giữa hai nút ngẫu nhiên trong mạng được thay thế bằng giá trị nhỏ hơn và ID của nó AHWN đa chặng không có bảo mật bằng cách được thêm vào danh sách gonna_chk_nodes loại bỏ tác động của nút nghe lén, tức là đặt Ne (tham khảo Dòng 26–27). Sau khi một nút được = 0. kiểm tra để tìm các nút con an toàn của nó, nút
23 Hình 5. Minh họa các trạng thái kết nối giữa một nút hợp pháp nguồn và một hợp pháp đích được chọn ngẫu nhiên; a = 400 m, Nl = 200, Ne = 6,  = 3, m = 1,  = 1,  = 1, th = 50 dB. Thuật toán trên được thực hiện bằng phần điều kiện bảo mật của liên kết không dây giữa mềm mô phỏng MATLAB và bốn trường hợp chúng. Hình 5(a) trình bày trường hợp nút trạng thái kết nối có thể xảy ra được trình bày nguồn bị chặn vì tất cả các nút lân cận của nó trong Hình 5. Hai nút hợp pháp ngẫu nhiên đều không an toàn để liên lạc. Chỉ có một nút được chọn làm nút nguồn và nút đích. Chúng đáp ứng được ràng buộc bảo mật, nhưng nút này được biểu diễn lần lượt bằng chấm xanh và không thể thiết lập bất kỳ liên kết không dây chấm vàng, trong khi những nút hợp pháp nào với các nút khác. Do đó, đường truyền từ không an toàn được biểu diễn bằng chấm đỏ. nút nguồn đến nút đích không khả dụng. Các Cần lưu ý rằng một nút hợp pháp đóng vai trò đường truyền đa chặng giữa nút nguồn và nút là nút chuyển tiếp không an toàn cho một nút đích cũng không thể được thiết lập do không hợp pháp nào đó có thể là nút chuyển tiếp an cómnút trung gian khả dụng (Hình 5(b)) hoặc toàn cho một nút hợp pháp khác tùy thuộc vào nút đích bị chặn (Hình 5(c)).
24 Hình 6. Lưu đồ quy trình hoạt động của thuật toán thứ hai để có được kết nối tổng thể và pmf của phân phối số chặng. Những vấn đề này là do tác động kết hợp Thuật toán này nhằm mục đích thu được của ràng buộc bảo mật và fading, tức là một nút kết nối tổng thể và số chặng trung bình bằng an toàn để giao tiếp, nhưng nó không có liên kết cách khai thác kết quả củathuật toán trước được không dây với các nút trước đó hoặc ngược lại. trình bày trong Tiểu mục 4.1. Đặc biệt, thuật Khi một nút nguồn có thể giao tiếp với một nút toán này thu thập số chặng và trạng thái kết nối đích, đường truyền giữa chúng thường có nhiều của đường truyền ngắn nhất giữa hai nút hợp chặng (ví dụ: 11 chặng như thể hiện trong Hình pháp tùy ý trong mỗi cấu trúc mạng ngẫu nhiên 5(d)) vì nó phải đi vòng qua các nút trung gian và đưa ra số chặng trung bình từ một số lượng không an toàn. lớn các cấu trúc mạng. Lưu đồ quy trình hoạt 4.2. Các hoạt động của thuật toán thứ hai động của thuật toán này được mô tả trong Hình 6 và có thể được tóm tắt như sau:
25  Bước 1: Đầu tiên một diện tích mạng của các đường truyền đa chặng khả dụng. vuông được tạo ra. Tiếp theo Nl nút hợp pháp Trong khi đó, độ phức tạp của thuật toán thứ hai và Ne nút nghe lén được triển khai ngẫu nhiên chỉ là   n  do chỉ có một vòng lặp khi lấy trong diện tích mạng này theo phân phối đồng thông tin các giá trị trong mảng. đều. 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN  Bước 2: Sau khi hai nút hợp pháp ngẫu Trong phần này, nhiều kết quả mô phỏng nhiên được chọn làm nút nguồn và nút đích, khác nhau được cung cấp để điều tra đặc tính thuật toán đầu tiên sẽ kiểm tra trạng thái kết nối của kết nối an toàn và số chặng trung bình trong giữa chúng. Nếu có ít nhất một đường truyền mạng AHWN. Cụ thể, chúng tôi thực hiện giữa nút nguồn và nút đích, thuật toán sẽ trả về phương pháp phân tích dựa trên mô phỏng được số chặng của đường truyền ngắn nhất. Đường đề xuất trên chương trình mô phỏng MATLAB. truyền ngắn nhất là đường truyền có số chặng Nút hợp pháp và nút lén được phân bố ngẫu nhỏ nhất trong tất cả các đường truyền đa chặng nhiên trong một khu vực mạng 400 m  400 m. khả dụng. Trong các tiểu mục sau, chúng tôi đưa ra nhiều  Bước 3: Đối với mỗi cấu trúc mạng, số kịch bản đánh giá khác nhau để nghiên cứu toàn chặng h của đường truyền ngắn nhất và số diện số chặng và đặc tính kết nối của đường đường truyền có số chặng là h, h, được ghi vào truyền đa chặng trong mạng AHWN. một ma trận hai cột hc_table. Trong trường hợp 5.1. Tác động của mật độ nút hợp pháp nếu giá trị hop count ℎ không tồn tại trong hc_table nó sẽ được thêm vào hc_table và h Hình 7 minh họa tính kết nối và số chặng tương ứng sẽ được đặt thành 1. Nếu không, sẽ trung bình của đường truyền ngắn nhất giữa hai được tăng thêm 1. nút hợp pháp ngẫu nhiên thay đổi theo số lượng nút hợp pháp Nl. Chúng tôi tăng Nl từ 50 lên 300 Quá trình trên được lặp lại  lần cho mỗi để đặc trưng cho mật độ nút hợp pháp thưa thớt, tham số hệ thống đánh giá. Trong mỗi lần chạy, vừa phải và dày đặc. Các tham số khác được đặt các vị trí ngẫu nhiên của nút hợp pháp và nút như sau: số lượng nút nghe lén Ne = 5, hệ số suy nghe lén được tạo mới và hai nút hợp pháp tùy hao đường truyền = 3, mức độ giãn của đường ý được chọn làm nguồn và đích. Sau khi kiểm truyền fading Nakagami  = 4, ngưỡng bảo mật tra với  cấu trúc mạng, thông tin trong ma trận  = 1, ngưỡng suy giảm tín hiệu th = 50 dB. hc_table được sử dụng để có được pmf của phân phối số chặng. Cụ thể, pmf này là hợp của các xác suất của tất cả các đường truyền ℎ- chặng có thể có trong  cấu trúc mạng. Mỗi xác suất được tính là tỷ lệ giữa số lượng cấu trúc mạng có đường truyền ngắn nhất ℎ-chặng, h, và tổng số cấu trúc mạng được đánh giá, . Về mặt toán học, pmf của phân phối số chặng có thể được biểu diễn như sau: H max h pH  h   (11) h 1  Hình 7. Tính kết nối và số chặng trung bình của đường truyền ngắn nhất giữa hai nút hợp Lời bình: Xét về độ phức tạp, thuật toán thứ pháp ngẫu nhiên thay đổi theo số lượng nút nhất có độ phức tạp là   n 2  do có hai vòng hợp pháp Nl. a = 400 m, Ne = 6,  = 3, m = 1, lặp trong quá trình lựa chọn các nút trung gian  = 4,  = 1, th = 50 dB.
26 Như quan sát từ Hình 7, tính kết nối của không an toàn không được phép tạo thành các đường truyền đa chặng tăng nhanh khi Nl tăng đường truyền này. Cụ thể là tính kết nối giảm từ 50 đến 175 và sau đó tăng chậm trong phạm còn 0.7 khi Ne = 10, giảm 30% so với trường vi còn lại của Nl, đạt giá trị lớn nhất bằng 0,93 hợp Ne = 0. Đồng thời, đường truyền thông tin khi Nl = 300. Trong khi đó số chặng trung bình phải dài hơn do phải đi vòng để tránh các nút có giá trị thấp nhất bằng 3,19 khi Nl = 50 do mật trung gian không an toàn, làm cho số chặng độ nút hợp pháp quá thấp để có được đường trung bình tăng từ 3.35 lên 4.57 khi Ne tăng từ truyền dài. Số chặng trung bình đạt giá trị tối đa 0 đến 10. bằng 4,18 khi Nl = 50 và sau đó giảm dần khi 5.3. Tác động của mức độ fading của kênh Nl tiếp tục tăng do mật độ nút hợp pháp ngày Nakagami-m càng lớn để tạo thành những đường truyền ngắn hơn. Hình 9 cho thấy tính kết nối và số chặng trung bình của đường truyền ngắn nhất giữa hai 5.2. Tác động của mật độ nút nghe lén nút hợp pháp thay đổi theo mức độ fading m của Hình 8 mô tả tính kết nối và số chặng trung kênh truyền Nakagami. Thông số hình dạng m bình của đường truyền ngắn nhất giữa hai nút của phân bố Nakagami thay đổi từ 0.5 đến 1.5 hợp pháp ngẫu nhiên so với số lượng nút nghe để phản ánh mức độ fading nghiêm trọng hơn lén Ne. Chúng tôi thay đổi Ne từ 0 đến 10. Lưu hay ít nghiêm trọng hơn so với kênh truyền ý rằng Ne = 0 tương ứng với trường hợp truyền Rayleigh. thông không có mối đe dọa về bảo mật (Dung et al., 2018). Hình 9. Tính kết nối và số chặng trung bình của đường truyền ngắn nhất giữa hai nút hợp Hình 8. Tính kết nối và số chặng trung bình pháp thay đổi theo mức độ fading m của kênh của đường truyền ngắn nhất giữa hai nút hợp Nakagami. a = 400 m, Nl = 175, Ne = 6,  = 3, pháp thay đổi theo số lượng nút nghe lén Ne. a  = 4,  = 1, th = 50 dB. = 400 m, Nl = 175,  = 3, m = 1,  = 4,  = 1, Chúng ta có thể thấy trong Hình 9 là khi m th = 50 dB. tăng từ 0.5 lên 1.5, tính kết nối của đường Từ Hình 8, chúng ta có thể thấy khi không truyền đa chặng giảm nhẹ, từ 0.89 xuống 0.84. có nút nghe lén trong mạng AHWN, gần như Trong khi đó, số chặng trung bình tăng khá luôn có đường truyền giữa hai nút nguồn và nhiều, từ 3.72 lên 4.24. Đặc điểm này xuất hiện đích hợp pháp, đó là tính kết nối  1. Khi số do việc tăng m làm cho fading quy mô nhỏ bớt lượng nút nghe lén tăng, khả năng không thiết nghiêm trọng hơn. Nói cách khác, ảnh hưởng lập được các đường truyền đa chặng cũng tăng của suy hao đường truyền quy mô lớn trở nên do sự gia tăng số lượng các nút trung gian chiếm ưu thế hơn. Từ đó xác suất có đường
27 truyền dài trở nên lớn hơn trong khi xác suất có in wireless sensor networks (WSN). đường truyền vừa và ngắn nhỏ đi. Ngoài ra, tác International Journal of Computer động của mức độ fading của kênh Nakagami-m Networks and Applications (IJCNA) 7(6), 193–207. không ảnh hưởng nhiều đến tính kết nối và số chặng trung bình so với tác động của mật độ nút Chen, G., Coon, J. P.,&Tajbakhsh, S. E. (2018). hợp pháp và nút nghe lén. Secure routing formultihop ad hoc networks with inhomogeneous 6. KẾT LUẬN eavesdropper clusters. IEEE Transactions on Vehicular Technology 67(11), 10660 – Ý tưởng trong bài báo này đến từ việc tìm 10670. hiểu cách mối quan hệ độc lập giữa điều kiện thiết lập kết nối và điều kiện bảo mật của kết Dung, L. T., & Choi, S. G. (2018). Simulation modeling and analysis of the hop count nối ảnh hưởng đến số chặng và đặc điểm kết nối distribution in cognitive radio ad-hoc của đường truyền đa chặng giữa hai nút hợp lệ networks with beamforming. Simulation ngẫu nhiên trong mạng AHWN. Để có câu trả Modelling Practice and Theory 84, 1–18. lời cho vấn đề này, chúng tôi đã đề xuất một Ibrahim, M., & HamoudaW. (2021). phương pháp phân tích dựa trên mô phỏng lấy Performance analysis of minimum hop thông tin về vị trí của nút hợp lệ và nút nghe count-based routing techniques in lén, điều kiện kênh không dây và chế độ hoạt millimeter wave networks: A stochastic động của nút nghe lén làm đầu vào. Dựa trên geometry approach. IEEE Transactions on kết quả thử nghiệm từ nhiều kịch bản đánh giá Communications 69(12), 8304 – 8318. khác nhau, một số kết luận quan trọng có thể Johnsonbaugh, R. (2009). Discrete được rút ra như sau: Mathematics. Pearson Education.  Việc tiếp tục tăng mật độ nút hợp pháp Li, S., Hu, X., Jiang, T., ZhangR., Yang, L., & Hu H. (2022). Hop Count Distribution for không cải thiện đáng kể chất lượng của đường Minimum Hop-Count Routing in Finite truyền đa chặng. Ngoài ra, mật độ nút hợp pháp Ad Hoc Networks. IEEE Transactions on cao chỉ giúp giảm thêm số chặng trung bình của Wireless Communications 21(7), 5317 – đường truyền đa chặng nhưng không làm tăng 5332. tính kết nối của đường truyền đa chặng do sự Lu, J., He D.,&Wang, Z. (2022). Secure routing hiện diện của các nút nghe lén. in multihop ad-hoc networks with SRR-  Việc có càng nhiều nút nghe lén hơn based reinforcement learning. IEEE Wireless Communications Letters 11(2), trong mạng dẫn đến tính kết nối của đường 362 – 366. truyền đa chặng liên tục giảm và làm số chặng trung bình liên tục tăng, khác với trường hợp Pinto, P. C., Barros, J., & Win,M.Z. (2008). Physical-layer security in stochastic đạt đến giá trị bão hòa của tính kết nối khi tăng wirelessnetworks. Proceedings of 11th số lượng nút hợp pháp. IEEE ICCS 2008, 974–979.  Tác động của mức độ fading của kênh Pramitarini, Y., Perdana, R., Shim, K.,&An, B. Nakagami-m đến tính kết nối và số chặng trung (2024). Exploiting secure multi-hop bình có mức độ thấp hơn so với tác động của transmissions with NOMA networks: mật độ nút hợp pháp và nút nghe lén. Performance analysis. Proceedings of IEEE ICAIIC 2024, 359 – 364. TÀI LIỆU THAM KHẢO Rekha, & Gupta, R. (2020). Cluster head Agarkar, P. T., Chawan, M. D., P. T. Karule, election in wireless sensor network: A &P. R. Hajare. (2020). A comprehensive comprehensive study and future survey onrouting schemes and challenges directions. International Journal of
28 Computer Networks and Applications Wyner, A. D. (1975). The wire-tap channel. (IJCNA) 7(6), 178–192. The Bell System Technical Journal 54(8), 1355–1387. Sarkar, S. K., Basavaraju, T., & PuttamadappaC. (2013). Ad Hoc Mobile Xiao, H., Xiaolan L., ZhangQ.,& Wireless Networks: Principles, Protocols, ChronopoulosA. T. (2021) Connectivity and Applications. CRC Press. probability analysis for freeway vehicle scenarios in vehicular networks. Wireless Shannon, C.E. (1949). Communication theory Networks 17, 465–474. of secrecy system. The Bell System Technical Journal 28(4), 656–71. Zheng, T.X., Chen, X., Wang, C., Wong, K.-K., & Yuan J. (2022). Physical layer security Wang, H. M., Zhang, Y., Zhang, X., & Li Z. in large-scale random multiple access (2020). Secrecy and covert wireless sensor networks: A stochastic communications against UAV geometry approach. IEEE Transactions on surveillance via multi-hop networks. IEEE Communications 70(6), 4038 – 4051. Transactions on Communications 68(1), 389 – 401. ANALYSIS OF SECURE CONNECTIVITY AND HOP COUNT OF AD-HOC NETWORKS WITH COLLUDING EAVESDROPPERS Le The Dung Le Ngoc Dung 1 FPT University Ho Chi Minh City 2 Dong Nai Technology University *Corresponding author: Le The Dung, dunglt96@fe.edu.vn GENERAL INFORMATION ABSTRACT Received date: 11/08/2024 Connectivity and hop count are two important properties of multi-hop wireless ad-hoc networks (AHWN). When Revised date: 13/09/2024 considering security, establishing a secure multi-hop path is Accepted date: 30/09/2024 challenging because an intermediate node that is connected to the previous nodes may not be safe enough to receive data from those nodes and vice versa. To analyze this property, we use stochastic KEYWORD geometry graphs to model the AHWN with multiple Colluding eavesdropper; eavesdroppers in the worst-case scenario where the Hop count; eavesdroppers collude with each other. Next, we propose a Multi-hop ad-hoc wireless simulation-based analysis method to obtain the path connectivity, network; hop count distribution, and average hop count under various evaluation scenarios. The simulation results show that the Secure connectivity. connectivity reaches a saturated value of 0.93 when the legitimate node density is 1,8810-3 node/m2. In addition, the shape parameter of the Nakagami fading channel only reduces the connectivity by 5.62% compared to 29.96% of the eavesdropper density. The results of this paper provide valuable information on the design and evaluation of security-aware multi-hop AHWNs.